Методические указания для студентов заочного факультета специальности 060800 "Экономика и управление предприятий"

Вид материала

Методические указания

Содержание Рабочая программа по дисциплине Организация изучения дисциплины Цель и содержание дисциплины Предмет технической термодинамики и ее методы. Первый закон термодинамики. Второй закон термодинамики. Реальные газы. Цикл паросиловой установки. Цикл Ренкина. Холодильные установки. Влажный воздух. Конвективный теплообмен. Теплообмен излучением. Теплообменные аппараты. Расчет расхода теплоты при теплоснабжении предприятий. Определение потребности предприятий в холоде Системы теплоснабжения 1.3. Практические занятия Методические указания 1. Определение параметров жидкости и пара На h-s диаграмме ... Полное содержание

Подобный материал:

• Рабочая программа и методические указания к контрольным работам для студентов специальности, 482.62kb.
• Методические указания к выполнению курсовой работы по специальности 060800 Экономика, 313.82kb.
• Рабочая программа и методические указания к контрольной и курсовой работам для студентов, 486.88kb.
• Методические рекомендации к курсовому проекту по дисциплине «бизнес-планирование» для, 223.49kb.
• Методические указания к выполнению контрольной работы по дисциплине «Психология менеджмента», 264.79kb.
• А. В. Лагерев " " 2009 г. Материаловедение методические указания, 195.92kb.
• Методические указания к контрольной работе для студентов заочной формы обучения Специальность, 172.46kb.
• Методические указания к выполнению курсовой работы для студентов всех форм обучения, 524.31kb.
• Методические указания для самостоятельной работы студентов дисциплины «менеджмент», 200.76kb.
• Методические указания для дипломного проектирования для специальности 060800 «Экономика, 294.49kb.

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

КЕМЕРОВСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

ПИЩЕВОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ


Кафедра теплохладотехники


Проблемы тепло- и хладоснабжения


Методические указания

для студентов заочного факультета специальности

060800 "Экономика и управление предприятий"


Кемерово 2005

Составители:

Л.М. Архипова, Л.В. Лифенцева


Рассмотрено и утверждено на заседании кафедры теплохладотехники

Протокол № 24 от 16.11.04

Рекомендовано методической комиссией механического факультета

Протокол № 106 от 14.02.05


Методические указания содержат рабочую программу дисциплины «Проблемы тепло- и хладоснабжения предприятий пищевой промышленности», варианты практических задач, вопросы для самоподготовки, список литературы.


© Кем ТИПП, 2005

СОДЕРЖАНИЕ


Введение 4

Рабочая программа 5

1. Организация изучения дисциплины 5

2. Цель и содержание дисциплины 5

3. Практические занятия 8

Методические указания к практическим занятиям и контрольной

работе 9

1. Определение параметров жидкости и пара по таблицам и

h-s диаграмме 9

2. Цикл паросиловой установки (цикл Ренкина). КПД цикла 11

3. Цикл парокомпрессионной холодильной установки. Холодильный

коэффициент и холодопроизводительность установки 13

4. Влажный воздух. h-d диаграмма 15

5. Теплопередача. Коэффициент теплопередачи 17

6. Теплообменные аппараты 20

7. Теплоснабжение предприятий 22

Выполнение контрольной работы 25

Контрольные вопросы 32

Список литературы 34

Приложение 35


ВВЕДЕНИЕ


Предприятия пищевой промышленности потребляют большое количество тепловой энергии как на горячее водоснабжение, отопление и вентиляцию зданий, так и на технологические нужды.

Кроме этого, целый ряд технологических процессов производства продуктов питания, хранения и транспортировки готовой продукции требуют применения искусственного холода.

Сокращение потребления тепло-и хладоносителей, повышение эффективности использования теплоты и холода – одна из важных каждодневных задач, стоящих не только перед технологами, но и перед экономической службой предприятий. Специалистам необходимо знать основные законы термодинамики и теплообмена, уметь правильно формулировать и решать прикладные задачи в целях сокращения расхода теплоты и холода на выработку единицы продукции.

Системы теплоснабжения предназначены для бесперебойного обеспечения предприятий теплом. В качестве теплоносителей используются: горячая вода, водяной пар, воздух, дымовые газы.

Системы теплоснабжения состоят из источников теплоты, тепловых сетей и теплоиспользующего оборудования.

Различают централизованные системы теплоснабжения на базе ТЭЦ и автономные системы на базе собственной котельной. Пар и горячая вода обычно вырабатываются в котельных установках.

Тепловые сети предназначены для передачи теплоносителей к местам потребления.

Системы хладоснабжения на предприятиях пищевой промышленности предназначены для получения искусственного холода, применяемого для охлаждения, замораживания и хранения продуктов питания. С точки зрения экономики затраты энергии на производство холода существенно выше, чем в производстве теплоты.

Искусственный холод обычно вырабатывается холодильными машинами. Существуют также безмашинные способы выработки холода, которые основаны либо на испарительном или термоэлектрическом охлаждении, либо на использовании водного льда, сухого льда, льдосоляной смеси.

Проблемы тепло- и хладоснабжения в пищевой промышленности в основном возникают при необходимости повышении экономических показателей работы предприятий за счет снижения потерь, замены оборудования, использования вторичных энергетических ресурсов (теплоты уходящих газов, вентиляционных выбросов или сбросных вод).

Выбор оптимального режима работы тепло- и хладоснабжающего оборудования – важнейшая технико-экономическая задача. Для ее решения необходимо проанализировать основные показатели работы аппаратов и установок в технологической схеме, рассматривая баланс энергии тепло- и хладоиспользующего оборудования. Все это предъявляет высокие требования к экономистам, которые должны знать основы тепло- и хладоснабжения.

РАБОЧАЯ ПРОГРАММА ПО ДИСЦИПЛИНЕ

«ПРОБЛЕМЫ ТЕПЛО-И ХЛАДОСНАБЖЕНИЯ

ПРЕДПРИЯТИЙ ПИЩЕВОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ»


по дисциплине «Проблемы тепло- и хладоснабжения предприятий пищевой промышленности»

1. Организация изучения дисциплины
   

Согласно учебному плану, дисциплина «Проблемы тепло- и хладоснабжения предприятий пищевой промышленности» изучается один семестр (проводятся две сессии). В течение первой сессии преподается теоретическая часть. В промежутке между сессиями студенты должны самостоятельно изучить материал, опираясь на прослушанные лекции, выполнить одну контрольную работу. Во вторую сессию проводятся практические занятия, после чего необходимо сдать зачет.

2. Цель и содержание дисциплины
   

Целью изучения дисциплины является получение знаний о характере теплотехнических процессов в пищевых производствах, их физических основах и методах расчета; о работе применяемого на пищевых предприятиях теплотехнического оборудования и холодильных машин.

Изучение дисциплины опирается на знания, полученные по курсу физики (теоретические основы термодинамики и теплопередачи).

В результате изучения студент должен уметь анализировать основные теплотехнические процессы на предприятиях пищевой промышленности, знать основные балансовые соотношения и уметь находить потери тепловой энергии и холода.

№п/п	Наименование и краткое содержание темы	Кол. час			Литература
1	2	3			4
1.*	Основные проблемы тепло- и хладоснабжения предприятий пищевой промышленности. Цели и задачи дисциплины	0,5
2.	Предмет технической термодинамики и ее методы. Теплоносители, хладагенты и хладоносители. Параметры состояния. Уравнение состояния идеального газа.	−			[1,Ч.1,с.5–7, 63], [1, Ч.2, с.5–8], [2, с. 6–11].
3.*	Первый закон термодинамики. Внутренняя энергия, работа, теплота. Энтальпия, энтропия. Термодинамические процессы идеальных газов. Теплоёмкость. Термодинамические p-v и T-s диаграммы.	0,25			[1,Ч.1,с.11–18, 30–34], [2, с.19–25].
4.*	Второй закон термодинамики. Прямые и обратные циклы. Термический КПД и холодильный коэффициент. Цикл Карно.	0,25			[1, Ч.1, с. 16–19], [2, с. 19–27].
5.*	Реальные газы. Термодинамические таблицы водяного пара и хладагентов. p-v; T-s и h-s диаграммы воды и водяного пара. Термодинамические процессы реальных газов.	1			[1, Ч.1, с.20–23], [2, с. 34–39].
6.	Цикл паросиловой установки. Цикл Ренкина. Принципиальная схема паросиловой установки. Изображение цикла в p-v, T-s и h-s диаграммах. Термический КПД цикла.	−			[1, Ч.1, с. 34–37], [2, с. 61–65].
7. *	Холодильные установки. Потребители холода в отрасли. Схема и цикл парокомпрессионной холодильной установки. Холодильный коэффициент и холодопроизводительность установки.	0,5			[1, Ч.1, с. 37–40], [2, с. 200].
8.	Влажный воздух. Основные определения. h-d диаграмма влажного воздуха. Процессы влажного воздуха.	−			[1, Ч.1, с. 25–26], [2, с. 41–43].
9.	Теплообмен. Виды переноса теплоты: теплопроводность, конвекция и излучение. Сложный теплообмен.	−			[1, Ч.1, с.42–43], [2, с. 69–70].
10.*	Теплопроводность. Закон Фурье. Коэффициент теплопроводности. Теплопроводность плоской и цилиндрической стенок. Теплопередача. Коэффициент теплопередачи.	0,5			[1, Ч.1, с. 43–44, 52–53], [2, с. 70–72, 97–101].
1	2		3	4
11.*	Конвективный теплообмен. Уравнение Ньютона-Рихмана. Коэффициент теплоотдачи. Теплоотдача при свободном и вынужденном движениях жидкости.		0,5	[1, Ч.1, с.45–48], [2, с. 77–89].
12.	Теплообмен излучением. Общие понятия и определения. Баланс лучистого теплообмена. Основные законы излучения.		−	[1, Ч.1, с.48–52], [2, с. 90–92].
13*	Теплообменные аппараты. Основные схемы движения теплоносителей. Уравнения теплового баланса и теплопередачи. Средний температурный напор. Основы теплового расчета. Кипение. Конденсация.		1	[1, Ч.1, с.55–56], [2, с. 103–110].
14.*	Расчет расхода теплоты при теплоснабжении предприятий. Расход на технологические нужды, на отопление, на горячее водоснабжение, на вентиляцию. Технико-экономические показатели работы системы теплоснабжения.		0,5	[1, Ч.1, с. 59–62], [2, с.191–198], [4, с. 231–242].
15.	Определение потребности предприятий в холоде. Тепловой баланс охлаждающего помещения. Способы охлаждения.		−	[1,Ч.2, с. 9–23, 37–44], [4, с. 209–214].
16.*	Системы теплоснабжения: воздушные, водяные, паровые. Системы хладоснабжения. Повышение эффективности использования тепла и холода на предприятиях пищевой промышленности.		1	[1, Ч.1. 92–116], [1, Ч.2, с. 25–35, 72–101].

* Темы, которые частично прорабатываются совместно с преподавателем во время аудиторных занятий; «−» материал для самостоятельного изучения.


Согласно рабочей программе, для студентов заочного факультета специальности 060800 "Экономика и управление на предприятиях пищевой промышленности" предусмотрено проведение практических занятий.

1.3. Практические занятия

№ п/п	Темы практических занятий	Кол. час	№ темы лекции	Литература
1	2	3	4	5
1.	Определение параметров водяного пара по таблицам и h-s диаграмме. Цикл Ренкина	0,5	5	[1, Ч. 1, с. 20–23], [3, с. 170 –191], [5].
2.	Цикл парокомпрессионной холодильной установки. Холодильный коэффициент и холодопроизводительность.	0,5	7	[1, Ч. 1, с. 37 –40], [3, с. 261–268], [6].
3.	Влажный воздух. h-d диаграмма.	0,5	8	[1, Ч. 1, с. 25–26], [3, с. 280–290].
4.	Основы теплоснабжения предприятий.	0,5	14	[1, Ч. 1, с. 59–62], [4, с. 231–242], [2, с. 191–198].

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

К ПРАКТИЧЕСКИМ ЗАНЯТИЯМ И КОНТРОЛЬНОЙ РАБОТЕ


На практических занятиях наибольшее внимание уделяется работе с таблицами и диаграммами, методам расчета и анализа процессов и циклов теплоэнергетических и холодильных установок.


1. Определение параметров жидкости и пара

по таблицам и h-s диаграмме


Таблицы для определения термодинамических свойств веществ различаются в зависимости от того, какое состояние рассматривается: однофазное или двухфазное. В таблицах для состояния насыщения приводятся удельные значения объема, энтальпии и энтропии воды и водяного пара (см. табл. 7 приложения); хладона R-22 (см. табл. 5 приложения); аммиака (см. табл. 6 приложения).

Параметры насыщенной жидкости (х = 0) отмечаются одним штрихом, Параметры сухого насыщенного пара (х = 1) отмечаются двумя штрихами.

Для определения свойств каждой из фаз в состоянии насыщения надо знать только один параметр – давление или температуру, так как при этих условиях параметры однозначно связаны между собой. В этих же таблицах приводится удельная теплота парообразования r.

Для расчета параметров влажного пара необходимо знать дополнительно степень сухости пара х.

Энтальпия h, энтропия s и удельный объем v влажного пара определяются по формулам:


h = h˝·x + h΄·(1–x) = h΄+ r · x,


s = s˝∙x + s΄·(1–x) = s΄+ r·x/Т_S,


v = v˝· x + v΄· (1–x).


Степень сухости пара определяется по одной из следующих формул:





Для определения свойств ненасыщенной жидкости и перегретого пара (однофазное состояние) нужно знать два параметра (обычно давление и температуру). В ячейке таблицы, соответствующей данному состоянию, помещены удельные значения объема v, энтальпии h и энтропии s [3, 5].


Н
а h-s диаграмме обычно изображаются:

линии изобар (p = const);

линии изотерм (t = const); в области влажного пара изотермы не представлены, так как они совпадают с изобарами;

изохоры (v = const) – пунктирной линией или линией другого цвета;

линии постоянной степени сухости влажного пара (x = const)   в области влажного насыщенного пара.


Задача 1. Определить температуру насыщения, энтальпию и энтропию влажного водяного пара при давлении 2,0 бара и степени сухости 0,9 (рис. 2).

Р
ешение: по h-s диаграмме:


Решение по таблице: из таблицы водяного пара находим параметры кипящей воды «′» и сухого насыщенного пара «″» при 2,0·10⁵ Па (см. приложение табл. 7):

р	tн	v′	v″	h′	h″	r	s′	s″
Па	ºC	м3/кг	м3/кг	кДж/кг	кДж/кг	кДж/кг	кДж/ (кг·К)	кДж/ (кг·К)
2,0·105	120,23	0,0010608	0,8859	504,7	2706,9	2202,2	1,5301	7,1286

По этим данным определяются энтальпия пара h и энтропия s:


h = h΄+ r·x = 504,7 + 2202,2·0,9 = 2486,68 кДж/кг.


s = s΄+ (r·x)/T_S = 1,5301 + (2202,2·0,9)/(120,23+273) = 6,57 кДж/(кг·К).


Температура насыщения: t_S = 120,23 ºС.


2. Цикл паросиловой установки (цикл Ренкина). КПД цикла


Цикл паросиловой установки
представлен на рис. 4.


Термический КПД паросиловой установки:





где h₁ и h₂ – энтальпии пара до и после адиабатного расширения в турбине, кДж/кг;

h′₂ – энтальпия кипящей жидкости при давлении р₂ (точка 3 на рис. 4), кДж/кг.

Величины, входящие в формулу для определения η_t, могут быть определены при помощи h-s диаграммы или таблиц водяного пара.

Полезная работа в турбине:


ℓ_ц = h₁– h₂ .


Задача 2. Начальные параметры пара паросиловой установки:
р₁ =8 МПа и t₁ = 550 ºC. Давление в конце процесса расширения 5 кПа. Определить термический КПД установки, работу 1кг пара и степень сухости в конце расширения. Сравнить термический КПД установки с термическим КПД цикла Карно.

Решение.

По заданным параметрам пара с помощью h-s диаграммы или таблиц водяного пара [5] определяем:


h₁ = 3520 кДж/кг,


h₂ = 2075 кДж/кг,


х₂ = 0,81.


По таблицам водяного пара (см. приложение, табл. 7) находим энтальпию насыщенной жидкости и температуру насыщения при давлении р₂ = 5 кПа:


h′₂ = 137,77 кДж/кг,


t_S = 32,9 ºC.


Термический КПД установки:


η_t = (h₁– h₂)/ (h₁– h′₂) = (3520 – 2075)/(3520 – 137,77) = 0,43.


Полезная работа цикла:


ℓ = h₁–h₂ = 3520 – 2075= 1445 кДж/кг.


Термический КПД цикла Карно:



3. Цикл парокомпрессионной холодильной установки

Холодильный коэффициент и холодопроизводительность установки


Циклы холодильных установок, в отличие от циклов тепловых двигателей, являются обратными. Циклы холодильных установок представлены на рис. 5. Данные о насыщенных парах хладона R-22 и аммиака (R-717) приведены в табл. 5 и 6 (см. приложение).





Примечание. Процессы:

1-2 – адиабатное сжатие хладагента в компрессоре;

2-3 – охлаждение и конденсация пара при постоянном давлении р₂ в конденсаторе;

3-4 (или 5-6) – дросселирование хладагента при h = const в дроссельном устройстве (h₃ = h₄; h₆ = h₅);

4 - 1 – кипение хладагента при температуре насыщения t_S = const, и р₁ = const в испарителе;

3 - 5 – переохлаждение жидкого хладагента.


Удельная холодопроизводительность q_o, кДж/кг:

а) в цикле без переохлаждения жидкого хладагента (1-2-3-4):


q_o = h₁ – h_4,


б) в цикле с переохлаждением хладагента (1-2-3-5-6):


q_o = h₁ – h₆.

Работа, затрачиваемая в цикле, равна работе привода компрессора
ℓ_ц кДж/кг:


ℓ_ц = h₂ – h₁,


где h_1, h₂, h₃, h₄, h₅, h₆ - энтальпии хладагента в соответствующих точках цикла, кДж/кг.


Холодопроизводительность установки Q_o, кВт:


Q_о = m∙q_о,


где m - расход холодильного агента, кг/с.


Теоретическая мощность, необходимая для привода компрессора:


N_Т = m·ℓ_ц.


Эффективность циклов холодильных машин оценивается холодильным коэффициентом:

ε = q_о/ℓ_ц.


Для обратного цикла Карно холодильный коэффициент:





Задача 3. Аммиачная холодильная установка мощностью Q_o = 200 кВт работает при температуре кипения t_S = – 25 ºС и температуре конденсации
t_К = 30 ºС. Определить массовый расход и холодильный коэффициент, если энтальпия аммиака на выходе из компрессора h₂ = 1854,0 кДж/кг [6]. Пар на входе в компрессор – сухой насыщенный (рис. 6).




Решение.

Пользуясь табл. 6 (см. приложения, находим энтальпию аммиака, поступающего в компрессор при t_S = – 25 ºС:

h₁ = h″₁ = 1730,3 кДж/кг;


энтальпию пара, поступающего в испаритель при t_K = 30 ºС:


h₄ = h′₃ = 641,3 кДж/кг.

В процессе дросселирования (в процессе 3-4) энтальпия не меняется.

Удельную холодопроизводительность определяем по формуле:


q_o = h₁ – h₄ =1730,3 – 641,3 = 1089 кДж/кг.


Массовый расход аммиака:


m = Q_о/q_о = 200/1089 = 0,184 кг/с.


Работу привода компрессора, затрачиваемую на сжатие 1 кг аммиака,
определяем по формуле:


ℓ_ц = h₂ – h₁ = 1854 – 1730,3 = 123,7 кДж/кг.


Холодильный коэффициент равен:


ε = q_о/ℓ_ц = 1089/123,7 = 8,8.


3.4. Влажный воздух. h-d диаграмма


Расчеты процессов влажного воздуха производятся чаще всего с использованием h-d диаграммы (рис. 7.). Угол между осью энтальпии h (ординаты) и осью влагосодержания d (абсциссы) равен 135^о.



На диаграмме нанесены:

изотермы – линии постоянной температуры (t = const);

линии постоянной энтальпии (h = const);

линии постоянной относительной влажности (φ = const), эти линии изменяют наклон при температуре насыщения.

В нижней части диаграммы обычно представлена диаграмма парциального давления пара p_п.

В процессе изобарного нагрева влажного воздуха (в процессе 1-2): влагосодержание воздуха d не изменяется (d₁=d₂); относительная влажность φ уменьшается; энтальпия увеличивается.

В теоретическом процессе адиабатической сушки принимается, что влага из материала испаряется только за счет теплоты, передаваемой материалу воздухом. Такой теоретический процесс представляет собой процесс h = const (процесс 2-3).

Задача 4. Для сушки используют воздух при t₁=20 ^oC и j₁ = 60%. В калорифере его подогревают до t₂ = 160 ^oC и направляют в сушилку, откуда он выходит при t₃ = 75^oC.

Определить расход воздуха и расход теплоты на 1 кг испаренной влаги.

Какое количество теплоты используется для сушки продукта, если производительность сушильной установки по испаренной влаге G = 900 кг/ч?

Решение. По h-d диаграмме находим точку 1 (см. рис. 7) на пересечении линий t₁=20^oC и j₁=60%. Определяем d₁ = 9 г/кг; h₁ = 43 кДж/кг.

Проведя линию d = const до пересечения с t₂ = 160^oC, находим точку 2, характеризующую состояние воздуха на выходе из калорифера. Из этой точки проводим линию h = const до пересечения с изотермой t₃ = 75^oC, где находим точку 3, характеризующую состояние воздуха на выходе из сушильной камеры. Определяем d₃ = 42 г/кг; h₃ = 187 кДж/кг.

Изменение влагосодержания:


∆d = d₃ – d₁=42 – 9 = 33 г/кг.


Для испарения 1 кг влаги потребуется сухого воздуха:





Расход теплоты в калорифере на 1 кг сухого воздуха:


Δh = h₃ – h₁ = 187 – 43 = 144 кДж/кг.


Расход теплоты на 1 кг испаренной влаги составит:


q = m·Δh = 30,3·144= 4363,2 кДж/кг.


Общее количество теплоты, подведенной в сушилку:


Q = G∙q/3600 = 900·4363,2/3600 = 1090,8 кВт.


3.5. Теплопередача. Коэффициент теплопередачи


Коэффициент теплопередачи k характеризует интенсивность теплообмена от одной жидкости (или газа) к другой через разделяющую их твердую стенку.

При транспортировании теплоносителей по трубопроводам возникают большие тепловые потери в окружающую среду, для уменьшения которых наружные поверхности труб покрывают тепловой изоляцией.

Тепловая изоляция ограждающих конструкций – одна из важнейших частей холодильника. Из множества вариантов целесообразно использовать такую тепловую изоляцию, чтобы приведенные (капитальные и эксплуатационные) затраты на изоляцию были минимальными. Для этого проводят технико-экономическое сравнение различных зданий холодильников.

Чем больше коэффициент теплопередачи ограждения, тем больше теплоты будет проникать в охлаждаемый объем холодильника. Это приводит к необходимости использования более мощной, и, следовательно, более дорогой холодильной установки. Уменьшить теплоприток можно применением более эффективной тепловой изоляции (малые λ_ИЗ) или увеличением ее толщины (большие значения δ_ИЗ).

Теплопередача через стенку. Тепловой поток Q, (Вт):


Q = k(t_Ж1 – t_Ж2)F,


где t_Ж1, t_Ж2 - температуры горячей и холодной жидкостей, ^oC;

F - площадь поверхности теплообмена, м².


Коэффициент теплопередачи многослойной плоской стенки рассчитывают по формуле:



где - термическое сопротивление теплопроводности i-го слоя;

α₁, α₂ - коэффициенты теплоотдачи с наружной и внутренней сторон стенки, Вт/(м²·К);

δ - толщина слоя, м;

λ - коэффициент теплопроводности материала слоя, Вт/(м·К).

Теплопередача через многослойную цилиндрическую стенку (n – число слоев):


Q = π·k_ℓ (t_Ж1 – t_Ж2)·ℓ,





где k_ℓ - линейный коэффициент теплопередачи, Вт/(м∙К);

ℓ -длина трубы, м;

d - диаметр трубы, м.


Коэффициент теплоотдачи α зависит от большого числа факторов и определяется, в большинстве случаев, из выражения для критерия Нуссельта:


α = Nu∙λ_ж /ℓ_о,


где Nu - безразмерный критерий подобия Нуссельта (определяется в зависимости от характера движения и агрегатного состояния теплоносителей по критериальным уравнениям различного вида);

λ_ж - коэффициент теплопроводности того теплоносителя, для которого определяется коэффициент теплоотдачи, Вт/(м∙К);

ℓ_о - определяющий размер тела, м.


Задача 5. На поверхности батарей охлаждения камер холодильника, изготовленных из стальных труб диаметром 37×3 мм, образовался слой снега толщиной 5мм. С внутренней стороны трубы покрылись слоем загрязненного масла толщиной 0,2 мм [λ_М = 0,14 Вт/(м·К)]. Коэффициенты теплоотдачи: от воздуха в камере к поверхности батарей α₁ = 125 Вт/(м²·К); от труб к хладагенту α₂ = 4700 Вт/(м²·К). Разность температур между воздухом и хладагентом равна 10 ºС. Определить тепловой поток для чистой (рис. 8а) и загрязненной (рис. 8б)поверхностей.

Решение. Из табл. 1 (см. приложение) находим коэффициенты теплопроводности стали и снега: λ_С = 45 Вт/(м·К), λ_СН = 0,46 Вт/(м·К).


а) Коэффициент теплопередачи чистой стенки:





Передача теплоты через 1 метр длины трубы:


q_ℓ = π·k_ℓ· ∆t= 3,14·0,448·10 = 14,07 Вт/м.





б) Коэффициент теплопередачи загрязненной стенки:



Передача теплоты через 1 метр длины загрязненной стенки:


q_ℓ = π·k_ℓ· ∆t = 3,14·0,366·10 = 11,49 Вт/м.


Таким образом, передача теплоты уменьшилась из-за наличия загрязнений на .


3.6. Теплообменные аппараты


Основными уравнениями для теплового расчета теплообменных аппаратов являются уравнение теплового баланса и уравнение теплопередачи.


Уравнение теплового баланса.

Теплота, передаваемая от горячего теплоносителя к холодному (без учета тепловых потерь в окружающую среду) Q, (Вт):


Q = Q₁ = Q₂,


Q = m₁·(h_1ВХ – h_1ВЫХ) = m₂·(h_2ВЫХ – h_2ВХ),


где m – массовый расход, кг/с;

h – удельная энтальпия теплоносителя, кДж/кг.

Индексы «1» означают, что данная величина отнесена к горячей жидкости, «2» – к холодной; «вх» и «вых» соответствуют данной величине на входе в теплообменник и выходе из него.


Для конкретных условий уравнение теплового баланса можно упростить, например:

а) нагрев и охлаждение теплоносителей не сопровождаются изменением их агрегатного состояния. Учитывая, что h = с_р∙t, можно записать:


Q = m₁·с_Р1( t_1ВХ – t_1ВЫХ) = m₂·с_Р2( t_2ВЫХ – t_2ВХ),


где с_Р – изобарная теплоемкость, кДж/(кг·К);

t – температура, ºС.


б) Нагрев холодного теплоносителя происходит за счет конденсации греющего водяного насыщенного пара:


Q = m₁(h_1ВХ – h_1ВЫХ) = m₂·с_Р2( t_2ВЫХ – t_2ВХ).


Уравнение теплопередачи через стенку:


Q = k· Δt_СР·F,


где F - площадь поверхности теплообмена, м²;

k - коэффициент теплопередачи от горячего теплоносителя к холодному через стенку, Вт/(м²К);

Δt_СР - средний температурный напор, ºС.


Средний температурный напор зависит от схемы движения теплоносителей и рассчитывается по формуле:





гдеΔt_б, Δt_м-большая и меньшая разности температур на концах теплообменника.


Данная разность температур называется среднелогарифмическим температурным напором. Формула может быть использована как при прямотоке, так и при противотоке.

В тех случаях, когда температуры теплоносителей вдоль поверхности теплообмена изменяются незначительно, температурный напор можно вычислять с достаточной точностью по формуле (при Δt_б/Δt_м< 2):


Δt_СР = (Δt_б + Δt_м)/2.


Задача 6. Водовоздушный нагреватель выполнен из стальных [λ = 45 Вт/(м·К)] труб диаметром 38×3 мм. Греющая среда – воздух с температурой на входе t_1ВХ = 210 ^oC и на выходе t_1ВЫХ = 110 ^oC. Расход воды m = 1,6 т/ч, начальная температура t_2ВХ = 50^oC, конечная t_2ВЫХ = 90 ^oC.

Коэффициенты теплоотдачи от воздуха к трубам α₁ = 30 Вт/(м²·К), от труб к воде α₂ = 2000 Вт/(м² ·К). Найти площадь поверхности нагрева аппарата, если теплоносители движутся по противоточной схеме. Расчет произвести по формулам плоской стенки. При решении задачи использовать рис. 9.

Решение. Уравнение теплового баланса:


Q = 1000·m₂·с_Р2·( t_2ВЫХ – t_2ВХ)/3600 = 1000·1,6·4,19·(90 – 50)/3600 = 74,5 кВт.


Коэффициент теплопередачи:





Средний температурный напор:





Температурные напоры определяются по формулам:


Δt_б = t_1ВХ – t_2ВЫХ = 210 – 90 = 120 ºС,


Δt_м = t_1ВЫХ – t_2ВХ = 110 – 50 = 60 ºС,





Площадь поверхности нагрева аппарата находим из уравнения теплопередачи:




3.7. Теплоснабжение предприятий


В расчетах используются следующие температуры:


t_В - расчетная внутренняя температура отапливаемого помещения (принять равной 16÷18 С);

t_НО - расчетная отопительная температура наружного воздуха (см. приложение, табл. 2);

t_СРО - средняя температура отопительного периода (см. приложение, табл. табл. 2);

t_ГВ - температура горячей воды (принять равной 60 ºС);

t_ХВЛ -температура холодной воды в летний период (принять 15 ºС);

t_ХВЗ - температура холодной воды в зимний период (принять 5 ºС);

t_НВ - расчетная температура наружного воздуха для вентиляции (см. приложение, табл. 2).

Годовой расход теплоты на технологические нужды Q_ТЕХ, (ГДж):


Q_ТЕХ = Р·q·n,


где q - удельный расход теплоты на единицу выпускаемой продукции, ГДж/т (см. приложение, табл. 3,4;

Р - производительность предприятия, т/сутки;

n - продолжительность работы оборудования в год, суток (принять 300 суток).


Годовой расход теплоты на отопление Q_ОТ, ГДж:


.


Q_о = (t_В – t_НО)·∑(q_о·V_Н).


Здесь Q_о - часовой расход теплоты на отопление, Вт;

n_o -продолжительность отопительного периода, суток (см. приложение, табл. 2);

T_o - время работы систем отопления в сутки, ч/сутки (принять 24 часа);

q_о - удельная отопительная характеристика здания, Вт/(м³·К) (см. приложение, табл. 3,4);

V_Н -- объем отапливаемых зданий по наружному обмеру, м³ (см. приложение, табл. 3, 4).


Годовой расход теплоты на горячее водоснабжение Q_ГВ, (ГДж):





.


где - средний расход теплоты на горячее водоснабжение в отопительный период, ГДж/сутки;

V_ГВ - потребление горячей воды на технологические и хозяйственные нужды, м³/сутки, определить по формуле: V_ГВ = 1,2·Р·w;

w - удельный расход горячей воды на 1 тонну выпускаемой продукции, м³/т (см. приложение, табл. 3,4);

с_Р = 4,19 кДж/кг – теплоемкость воды;

ρ = 1000 кг/м³– плотность воды;

η_В - коэффициент полезного использования теплоты (принять 0,96).


Годовой расход теплоты на вентиляцию Q_В, (ГДж):


.


.


где – расчетный расход теплоты на вентиляцию, ГДж/ч;

Ζ_В – продолжительность работы вентиляции в сутки, ч (принять 8 час);

– продолжительность работы вентиляции в отопительном периоде (75 % от продолжительности отопительного периода n_o), суток;

m – кратность воздухообмена, 1/ч (принять равной 3);

c_В = 1,26 кДж/(м³·К) – объемная теплоемкость воздуха.


Эксплутационные затраты


Эксплутационные затраты (Э) состоят из затрат на производство теплоты (Э_Т), электрическую энергию (Э_Э), амортизацию (Э_А), заработную плату (Э_З), капитальный ремонт (Э_К.Р), текущий ремонт (Э_Т.Р) и прочие (Э_ПР).


Э = Э_Т + Э_Э + Э_А + Э_З + Э_К.Р + Э_Т.Р + Э_ПР.


Эффективность работы системы теплоснабжения оценивается себестоимостью 1 ГДж вырабатываемой теплоты.

Стоимость теплоты Э_Т определяют следующим образом:


Э_Т = К(Q_ГОД∙Ц_Т),


Q_ГОД= Q_ТЕХ + Q_ОТ + Q_ГВ + Q_В ,


где К - коэффициент, учитывающий собственные нужды котельной (равен 1,05);

Q_ГОД – общий расход теплоты, ГДж;

Ц_Т – цена единицы теплоты, руб/ГДж.

ВЫПОЛНЕНИЕ КОНТРОЛЬНОЙ РАБОТЫ


К решению задач следует приступить только после того, как будет изучен соответствующий раздел курса. Перед выполнением контрольной работы рекомендуется ознакомиться с ходом решения аналогичных задач по учебной литературе и методическим указаниям.

Студенты, фамилии которых начинаются с букв от А до Л, выполняют задачи по варианту А, а студенты, фамилии которых начинаются с букв от М до Я, выполняют задачи по варианту Б.

Каждая задача содержит сто вариантов. Исходные данные выбираются из соответствующих таблиц по последней и предпоследней цифре учебного шифра студента (две последние цифры номера зачетной книжки). Варианты работы должны соответствовать шифру студента. Шифр указывается на обложке тетради. Работы, выполненные не по своему шифру, не рассматриваются.

При решении задач необходимо соблюдать следующий порядок:

1. Выписать условия задачи и исходные данные.
   
2. Решение сопровождать кратким пояснением. При использовании данных, взятых из таблиц или диаграмм, должно быть указано точное библиографическое описание источника. Полный список использованной литературы необходимо привести в конце работы.
   
3. Вычисления нужно выполнять в системе СИ, указывать размерности вычисленных параметров.
   

ВАРИАНТЫ ЗАДАЧ


ЗАДАЧА А- 1


В компрессор паровой холодильной машины с дроссельным вентилем поступает сухой насыщенный пар. Температуры: кипения t_S, конденсации t_К. Сравнить удельные холодопроизводительности циклов, если рабочим телом являются: а) хладон R-22; б) аммиак.

Изобразить схему холодильной установки и цикл в T-s диаграмме, используя представленную таблицу.


Таблица

Последняя цифра шифра	0	1	2	3	4	5	6	7	8	9
tS, oC	–30	–25	–20	–15	–10	–30	–25	–20	–15	–10
Предпоследняя цифра шифра	0	1	2	3	4	5	6	7	8	9
tК, oC	20	25	30	35	20	25	30	35	25	30

Методические указания - в подразд. 1 и 3 (стр. 8,12). Параметры хладагентов приведены в табл. 5, 6 (см. приложение).


ЗАДАЧА Б – 1


В компрессор аммиачной холодильной машины поступает сухой насыщенный пар аммиака при температуре кипения t_S. Температура конденсации t_К. Определить, как изменится удельная холодопроизводительность, если перед дросселированием жидкий аммиак переохлаждается на 5 ºС.

Изобразить схему холодильной установки и цикл в T-s диаграмме, используя представленную таблицу.


Таблица

Последняя цифра шифра	0	1	2	3	4	5	6	7	8	9
tS, oC	–30	–25	–20	–15	–10	–30	–25	–20	–15	–10
Предпоследняя цифра шифра	0	1	2	3	4	5	6	7	8	9
tК, oC	25	30	35	25	30	35	25	30	35	30

Методические указания - в подразд. 1 и 3 (см. стр 8,12). Параметры аммиака приведены в табл. 6 (см. приложение).